JP7457310B1 - Thin film solar cell and method for manufacturing thin film solar cell - Google Patents

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Abstract

【課題】放射線による損傷を修復可能な薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法を提供すること。【解決手段】薄膜太陽電池のp型光吸収層は、p型光吸収層を2等分した第1領域と第2領域とを有する。p型光吸収層は、I族元素として、Cuを含み、III族元素として、Ga及びInを含み、第1領域におけるCuとIII族元素の原子数の比C1の平均値が、第2領域における比C1の平均値よりも低い。第1領域におけるGaとIII族元素の原子数の比G1の平均値が、第2領域における比G1の平均値よりも低く、p型光吸収層における比G1の平均値が、0.2以上0.4以下である。第1電極層側から第2電極層側に向かう際の比G1の変化率の絶対値が、第1領域において最大となり、p型光吸収層における比G1が、第1領域において、第1電極層側から第2電極層側にかけて減少傾向にある。【選択図】図1[Problem] To provide a thin-film solar cell capable of repairing damage caused by radiation, and a method for manufacturing the thin-film solar cell. [Solution] The p-type light absorbing layer of the thin-film solar cell has a first region and a second region obtained by dividing the p-type light absorbing layer into two equal parts. The p-type light absorbing layer contains Cu as a group I element and Ga and In as group III elements, and the average value of the atomic ratio C1 of Cu to group III elements in the first region is lower than the average value of the ratio C1 in the second region. The average value of the atomic ratio G1 of Ga to group III elements in the first region is lower than the average value of the ratio G1 in the second region, and the average value of the ratio G1 in the p-type light absorbing layer is 0.2 or more and 0.4 or less. The absolute value of the rate of change of the ratio G1 from the first electrode layer side to the second electrode layer side is maximum in the first region, and the ratio G1 in the p-type light absorbing layer tends to decrease from the first electrode layer side to the second electrode layer side in the first region. [Selected Figure] FIG.

Description

本発明は、薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film solar cell and a method for manufacturing a thin film solar cell.

太陽電池の一種に薄膜太陽電池が存在する。薄膜太陽電池には、p型光吸収層としてCu、In、Ga、Se、及びS等を含むカルコパイライト構造のI-III-VI族化合物を用いたCIS系薄膜太陽電池が存在する。CIS系薄膜太陽電池は、非特許文献1に示されるように学術的研究が盛んに行われている。また、CIS系薄膜太陽電池の光電変換効率向上を目的としたp型光吸収層の原子プロファイルが特許文献1に記載されている。薄膜太陽電池は宇宙空間で使用されることがあり、非特許文献2には宇宙空間で応用される薄膜太陽電池について記載されている。 Thin film solar cells are one type of solar cells. Among the thin film solar cells, there is a CIS type thin film solar cell that uses a chalcopyrite structure I-III-VI group 2 compound containing Cu, In, Ga, Se, S, etc. as a p-type light absorption layer. As shown in Non-Patent Document 1, CIS-based thin film solar cells have been actively studied academically. Furthermore, Patent Document 1 describes an atomic profile of a p-type light absorption layer aimed at improving the photoelectric conversion efficiency of a CIS thin film solar cell. Thin film solar cells are sometimes used in outer space, and Non-Patent Document 2 describes thin film solar cells used in outer space.

特許第6297038号Patent No. 6297038

Physica Status Solidi. Rapid Research Letters, 2019, Vol.13, pp.1900415Physica Status Solidi. Rapid Research Letters, 2019, Vol.13, pp.1900415 Advanced Energy Materials, 2022, Vol.12, Issue 29, pp.2200125Advanced Energy Materials, 2022, Vol.12, Issue 29, pp.2200125

宇宙空間には強い放射線が存在しており、宇宙空間に配置された薄膜太陽電池には強い放射線が照射される。放射線は薄膜太陽電池内の光吸収層に欠陥を生じさせ、電池性能を劣化させる。 Strong radiation exists in outer space, and thin-film solar cells placed in outer space are irradiated with strong radiation. Radiation causes defects in the light-absorbing layers within thin-film solar cells, degrading cell performance.

そこで、本発明は、放射線にも耐えうる長寿命な薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a long-life thin film solar cell that can withstand radiation and a method for manufacturing the thin film solar cell.

本開示の一態様に係る薄膜太陽電池は、基板と、基板上に設けられた第1電極層と、第1電極層上に設けられ、I-III-VI族化合物を含むp型光吸収層と、p型光吸収層上に設けられたn型の第2電極層と、を備え、p型光吸収層は、p型光吸収層の深さ方向に対してp型光吸収層を2等分した際の第2電極層側の第1領域と、第1領域以外の第2領域とを有する。p型光吸収層は、I族元素として、Cuを含み、III族元素として、Ga及びInを含み、第1領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値が、第2領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低い。第1領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、第2領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、0.2以上0.4以下である。p型光吸収層において、第1電極層側から第2電極層側に向かう際のGaとIII族元素の原子数の比の変化率の絶対値が、第1領域において最大となり、p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比が、第1領域において、第1電極層側から第2電極層側にかけて減少傾向にある。 A thin-film solar cell according to an embodiment of the present disclosure includes a substrate, a first electrode layer provided on the substrate, a p-type light absorbing layer provided on the first electrode layer and containing a I-III-VI 2 group compound, and an n-type second electrode layer provided on the p-type light absorbing layer, the p-type light absorbing layer having a first region on the second electrode layer side when the p-type light absorbing layer is divided into two equal parts in the depth direction of the p-type light absorbing layer, and a second region other than the first region. The p-type light absorbing layer includes Cu as a group I element and Ga and In as group III elements, and the average value of the atomic ratio of Cu to the group III elements in the first region is lower than the average value of the atomic ratio of Cu to the group III elements in the second region. The average value of the atomic ratio of Ga to the group III elements in the first region is lower than the average value of the atomic ratio of Ga to the group III elements in the second region, and the average value of the atomic ratio of Ga to the group III elements in the p-type light absorbing layer is 0.2 to 0.4. In the p-type light absorbing layer, the absolute value of the rate of change of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element from the first electrode layer side to the second electrode layer side is maximum in the first region, and the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the p-type light absorbing layer tends to decrease from the first electrode layer side to the second electrode layer side in the first region.

本開示の一態様に係る薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、第1電極層を設ける第1工程と、第1電極層上に、I-III-VI族化合物を含むp型光吸収層を設ける第2工程と、p型光吸収層上に、n型の第2電極層を設ける第3工程と、を含み、p型光吸収層は、p型光吸収層の深さ方向に対してp型光吸収層を2等分した際の第2電極層側の第1領域と、第1領域以外の第2領域とを有し、p型光吸収層は、I族元素として、Cuを含み、III族元素として、Ga及びInを含み、第2工程は、第1領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値が、第2領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、第1領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、第2領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、0.2以上0.4以下であり、p型光吸収層において、第1電極層側から第2電極層側に向かう際のGaとIII族元素の原子数の比の変化率の絶対値が、第1領域において最大となり、p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比が、第1領域において、第1電極層側から第2電極層側にかけて減少傾向にあるように、p型光吸収層を設ける。 A method for manufacturing a thin film solar cell according to one aspect of the present disclosure includes a first step of providing a first electrode layer on a substrate, and a p-type light containing a group I-III-VI compound on the first electrode layer. A second step of providing an absorption layer; a third step of providing an n-type second electrode layer on the p-type light absorption layer; The p-type light absorption layer has a first region on the second electrode layer side when the p-type light absorption layer is divided into two, and a second region other than the first region, and the p-type light absorption layer contains a group I element. , contains Cu, and contains Ga and In as group III elements, and in the second step, the average value of the ratio of the number of atoms of Cu and group III elements in the first region is such that the average value of the ratio of the number of atoms of Cu and group III elements in the second region is lower than the average value of the ratio of the number of atoms, and the average value of the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the first region is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the second region; , the average value of the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer is 0.2 or more and 0.4 or less, and in the p-type light absorption layer, the second electrode layer is The absolute value of the rate of change in the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements toward the side becomes maximum in the first region, and the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer increases in the first region. The p-type light absorption layer is provided so that the p-type light absorption layer tends to decrease in the region from the first electrode layer side to the second electrode layer side.

本発明によれば、放射線にも耐えうる長寿命な薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a long-life thin film solar cell that can withstand radiation and a method for manufacturing the thin film solar cell.

本実施形態に係る薄膜太陽電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a thin-film solar cell according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係るp型光吸収層におけるCuプロファイルを示す図である。It is a figure showing the Cu profile in the p-type light absorption layer concerning this embodiment. 本実施形態に係るp型光吸収層におけるGaプロファイルを示す図である。It is a figure showing the Ga profile in the p-type light absorption layer concerning this embodiment. 本実施形態に係るp型光吸収層におけるGaプロファイルの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of Ga profile in the p-type light absorption layer based on this embodiment. 本実施形態に係るp型光吸収層におけるGaプロファイルの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of Ga profile in the p-type light absorption layer based on this embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を説明する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a thin film solar cell according to the present embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を説明する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a thin film solar cell according to the present embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を説明する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a thin film solar cell according to the present embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を説明する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a thin film solar cell according to the present embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を説明する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a thin film solar cell according to the present embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の回復効果を説明する図である。It is a figure explaining the recovery effect of the thin film solar cell concerning this embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の回復効果を説明する図である。It is a figure explaining the recovery effect of the thin film solar cell concerning this embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の回復効果を説明する図である。It is a figure explaining the recovery effect of the thin film solar cell concerning this embodiment. 本実施形態に係る薄膜太陽電池の回復効果を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating the recovery effect of a thin-film solar cell according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係る薄膜太陽電池と他の薄膜太陽電池の回復効果を比較する図である。It is a figure which compares the recovery effect of the thin film solar cell based on this embodiment, and other thin film solar cells.

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, those with the same reference numerals have the same or similar configurations.

図1には、本実施形態に係る薄膜太陽電池100の断面図が示される。薄膜太陽電池100は、基板101、第1電極層102、p型光吸収層103、電子輸送層104、第2電極層105、及びグリッド電極106を有する。薄膜太陽電池100は、グリッド電極106側からの光を受光して発電する。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of a thin film solar cell 100 according to this embodiment. The thin film solar cell 100 has a substrate 101 , a first electrode layer 102 , a p-type light absorption layer 103 , an electron transport layer 104 , a second electrode layer 105 , and a grid electrode 106 . The thin film solar cell 100 receives light from the grid electrode 106 side and generates electricity.

基板101は、例えば、青板ガラス、低アルカリガラス等のガラス基板、ステンレス板等の金属基板、又はポリイミド樹脂基板等を用いうる。第1電極層102は、例えば、基板101上に配置され、Mo、Cr、又はTi等の金属を材料とする金属導電層を用いうる。第1電極層102の膜厚は例えば200~800nmとすることができる。 The substrate 101 may be, for example, a glass substrate such as soda lime glass or low-alkali glass, a metal substrate such as a stainless steel plate, or a polyimide resin substrate. The first electrode layer 102 may be, for example, a metal conductive layer disposed on the substrate 101 and made of a metal such as Mo, Cr, or Ti. The film thickness of the first electrode layer 102 may be, for example, 200 to 800 nm.

p型光吸収層103は、例えば、第1電極層102上に配置され、I―III―VI族化合物により形成される。p型光吸収層103は、I族元素として、Cuを含み、III族元素として、Ga及びInを含み、VI族元素として、Se及びSを含む。p型光吸収層103の膜厚は例えば1~3μmとすることができる。 The p-type light absorbing layer 103 is disposed on the first electrode layer 102, for example, and is formed of a I-III-VI 2 group compound. The p-type light absorbing layer 103 contains Cu as a group I element, Ga and In as group III elements, and Se and S as group VI elements. The thickness of the p-type light absorbing layer 103 can be, for example, 1 to 3 μm.

p型光吸収層103は、p型光吸収層103の深さ方向に対して、p型光吸収層103を2等分した際の第2電極層105側の第1領域R1と、第1領域とは異なり、第1電極層102側の第2領域R2を有する。また、第1領域R1は、p型光吸収層103の深さ方向に対して、第1領域R1を2等分した際の第2電極層105側の第3領域R3と第3領域と異なり、第2領域R2又は第1電極層102側の第4領域R4を有する。 The p-type light absorption layer 103 has a first region R1 on the second electrode layer 105 side and a first region R1 on the second electrode layer 105 side when the p-type light absorption layer 103 is divided into two in the depth direction of the p-type light absorption layer 103. Unlike the other regions, it has a second region R2 on the first electrode layer 102 side. Further, the first region R1 is different from the third region R3 on the second electrode layer 105 side when the first region R1 is divided into two in the depth direction of the p-type light absorption layer 103. , has a second region R2 or a fourth region R4 on the first electrode layer 102 side.

電子輸送層104は、例えば、p型光吸収層103上に配置され、n型の導電性を有し透明で高抵抗なZn(O、S、OH)を用いうる。電子輸送層104は、例えば、膜厚を20から150nmとして成膜することができる。また、電子輸送層104は、例えば、CdS、ZnS、ZnO等のII―VI族化合物半導体薄膜、これらの混晶であるZn(O、S)等、具体的な例としては、In、In、In(O、S、OH)等のIn系化合物半導体薄膜によって形成することもできる。 The electron transport layer 104 is disposed on the p-type light absorption layer 103, for example, and may be made of Zn(O, S, OH) x , which has n-type conductivity, is transparent, and has high resistance. The electron transport layer 104 can be formed to have a thickness of 20 to 150 nm, for example. Further, the electron transport layer 104 is made of, for example, a II-VI group compound semiconductor thin film such as CdS, ZnS, or ZnO, or Zn(O,S) x which is a mixed crystal thereof, and a specific example is In 2 O. It can also be formed using an In-based compound semiconductor thin film such as In 3 , In 2 S 3 , In(O, S, OH) x .

第2電極層105は、例えば、電子輸送層104上に配置され、n型の導電性を有し、禁制帯幅が広く透明で抵抗値が低いZnO:Bを用いることができる。第2電極層105は、例えば、厚さ0.1から1.5μmの透明導電膜として成膜することができる。また、第2電極層105は、ZnO:Al、ZnO:Ga及びITOによる透明導電膜によって形成することもできる。 The second electrode layer 105 is disposed on the electron transport layer 104, and may be made of, for example, ZnO:B, which has n-type conductivity, a wide band gap, is transparent, and has a low resistance. The second electrode layer 105 may be formed as a transparent conductive film having a thickness of, for example, 0.1 to 1.5 μm. The second electrode layer 105 may also be formed as a transparent conductive film made of ZnO:Al, ZnO:Ga, and ITO.

グリッド電極106は、例えば、第2電極層105上に配置され、第2電極層105から電気を取り出すために設けられる電極である。グリッド電極106は導電材料であり、例えば、金属材料、合金材料、又は透明導電材等を用いることができる。 The grid electrode 106 is, for example, an electrode placed on the second electrode layer 105 and provided for extracting electricity from the second electrode layer 105. The grid electrode 106 is made of a conductive material, and for example, a metal material, an alloy material, a transparent conductive material, or the like can be used.

<実施例>
次に、本実施形態に係る薄膜太陽電池100のp型光吸収層103におけるCuとIII族元素の原子数の比(C1)及びGaとIII族元素の原子数の比(G1)について説明する。発明者は、本実施形態に係る薄膜太陽電池100を3つ(A~C)製造し、図2から図5を参照して、3つの実施例に対して計測された比C1及びG1について説明する。原子数は、例えば、走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光法にて光吸収層の断面を測定することによって計測される。
<Example>
Next, the ratio of the number of atoms of Cu to group III elements (C1) and the ratio of the number of atoms of Ga to group III element (G1) in the p-type light absorption layer 103 of the thin film solar cell 100 according to the present embodiment will be explained. . The inventor manufactured three thin film solar cells 100 (A to C) according to the present embodiment, and explained the ratios C1 and G1 measured for the three examples with reference to FIGS. 2 to 5. do. The number of atoms is measured, for example, by measuring the cross section of the light absorption layer by energy dispersive X-ray spectroscopy using a scanning electron microscope.

図2には、薄膜太陽電池100の実施例Aにおけるp型光吸収層103におけるCuとIII族元素の原子数の比C1の一例が示される。図2の横軸は、p型光吸収層103の第2電極層105側の表面からの深さである。横軸は図3から図5でも共通する。CuとIII族元素の原子数の比C1は、(Cuの原子数)/(III族元素の原子数)の比として算出される。III族元素は、例えば、In及びGaである。 FIG. 2 shows an example of the ratio C1 of the number of atoms of Cu and group III elements in the p-type light absorption layer 103 in Example A of the thin-film solar cell 100. The horizontal axis in FIG. 2 is the depth from the surface of the p-type light absorption layer 103 on the second electrode layer 105 side. The horizontal axis is also common in FIGS. 3 to 5. The ratio C1 of the number of atoms of Cu and group III element is calculated as the ratio of (number of atoms of Cu)/(number of atoms of group III element). Group III elements are, for example, In and Ga.

p型光吸収層103の層全体における比C1は、1.0よりも低い。図2の例では、層全体における比C1の平均値は0.91である。比C1が1.0以上の場合、光電変換効率が低下する可能性がある。一方、比C1は0.80よりも大きいことが、適切なキャリア濃度のp型光吸収層を形成する観点から好ましい。 The ratio C1 of the entire p-type light absorption layer 103 is lower than 1.0. In the example of FIG. 2, the average value of the ratio C1 over the entire layer is 0.91. When the ratio C1 is 1.0 or more, the photoelectric conversion efficiency may decrease. On the other hand, the ratio C1 is preferably larger than 0.80 from the viewpoint of forming a p-type light absorption layer with an appropriate carrier concentration.

また、p型光吸収層103では、第1領域R1における比C1の平均値が、第2領域R2における比C1の平均値よりも低い。図2の例では、第1領域R1における比C1の平均値は0.89であり、第2領域R2における比C1の平均値は0.94である。 Furthermore, in the p-type light absorption layer 103, the average value of the ratio C1 in the first region R1 is lower than the average value of the ratio C1 in the second region R2. In the example of FIG. 2, the average value of the ratio C1 in the first region R1 is 0.89, and the average value of the ratio C1 in the second region R2 is 0.94.

このように、第2電極層105側の表面における比C1を低くすることで、薄膜太陽電池100が放射線による損傷を修復するようにできる。 In this way, by lowering the ratio C1 on the surface on the second electrode layer 105 side, the thin film solar cell 100 can repair damage caused by radiation.

具体的には、放射線は、p型光吸収層103の結晶構造中のCuに対して欠陥を生じさせることが知られている。欠陥としては、放射線によって生じたCu空孔にIII族元素であるInやGaが配置することによって生成されるアンチサイト欠陥がある。アンチサイト欠陥は電気特性を大きく劣化させる。アンチサイト欠陥は他のCu空孔によって修飾されることでパッシベーション(不動態化)され、この場合、電気特性の劣化が低減する。また、光照射や加熱等の比較的弱い外部エネルギーでも Cu空孔はp型光吸収層内を遷移できる事が知られており、この遷移を用いてCu空孔によるアンチサイト欠陥の修飾を促すことによって、薄膜太陽電池100が損傷を受けた場合であっても自己修復が可能となり、結果として放射線による損傷を修復するようにできる。 Specifically, it is known that radiation causes defects in Cu in the crystal structure of the p-type light absorption layer 103. Defects include antisite defects that are generated when In and Ga, which are group III elements, are placed in Cu vacancies generated by radiation. Antisite defects greatly deteriorate electrical properties. Antisite defects are passivated by being modified with other Cu vacancies, and in this case, deterioration of electrical properties is reduced. Furthermore, it is known that Cu vacancies can transition within the p-type light absorption layer even with relatively weak external energy such as light irradiation or heating, and this transition is used to promote the modification of antisite defects by Cu vacancies. As a result, even if the thin film solar cell 100 is damaged, it can self-repair, and as a result, damage caused by radiation can be repaired.

p型光吸収層103では、第2電極層105側の表面におけるCuとIII族元素の原子数の比を低くすることで、欠陥修復をもたらすCu空孔を多くすることができるので、自己修復を十分に可能とし、薄膜太陽電池100が放射線による損傷を修復するようにできる。 In the p-type light absorption layer 103, by lowering the ratio of the number of atoms of Cu and group III elements on the surface on the second electrode layer 105 side, it is possible to increase the number of Cu vacancies that cause defect repair. This makes it possible for the thin film solar cell 100 to repair damage caused by radiation.

図3から図5には、実施例A~Cにおけるp型光吸収層103におけるGaとIII族元素の原子数の比G1の一例が示される。GaとIII族元素の原子数の比G1は、(Gaの原子数)/(III族元素の原子数)の比として算出される。 Figures 3 to 5 show an example of the ratio G1 of the number of atoms of Ga to group III elements in the p-type light absorbing layer 103 in Examples A to C. The ratio G1 of the number of atoms of Ga to group III elements is calculated as the ratio (number of Ga atoms)/(number of group III elements).

p型光吸収層103では、第1領域R1における比G1の平均値が、第2領域R2における比G1の平均値よりも低い。図3の例では、実施例Aにおける第1領域R1における比G1の平均値は0.13であり、第2領域における比G1の平均値は0.45である。図4の例では、実施例Bにおける第1領域R1における比G1の平均値は0.15であり、第2領域における比G1の平均値は0.42である。図5の例では、実施例Cにおける第1領域R1における比G1の平均値は0.09であり、第2領域における比G1の平均値は0.48である。 In the p-type light absorption layer 103, the average value of the ratio G1 in the first region R1 is lower than the average value of the ratio G1 in the second region R2. In the example of FIG. 3, the average value of the ratio G1 in the first region R1 in Example A is 0.13, and the average value of the ratio G1 in the second region is 0.45. In the example of FIG. 4, the average value of the ratio G1 in the first region R1 in Example B is 0.15, and the average value of the ratio G1 in the second region is 0.42. In the example of FIG. 5, the average value of the ratio G1 in the first region R1 in Example C is 0.09, and the average value of the ratio G1 in the second region is 0.48.

p型光吸収層103では、p型光吸収層103における比G1の平均値は0.2以上0.4以下である。図3、図4、図5では、p型光吸収層103全体における比G1の平均値は0.29である場合が示される。比G1の平均値を0.2以上0.4以下とすることで、光電変換効率を高くすることができる。 In the p-type light absorption layer 103, the average value of the ratio G1 in the p-type light absorption layer 103 is 0.2 or more and 0.4 or less. 3, FIG. 4, and FIG. 5 show a case where the average value of the ratio G1 in the entire p-type light absorption layer 103 is 0.29. The photoelectric conversion efficiency can be increased by setting the average value of the ratio G1 to 0.2 or more and 0.4 or less.

p型光吸収層103では、第1電極層102側から第2電極層105側に向かう際の比G1の変化率の絶対値が、第1領域R1において最大となる。図3の例では、比G1の変化率の絶対値は、第1領域R1において最大値74.6%をとる。図4の例では、比G1の変化率の絶対値は、第1領域R1において最大値52.7%をとる。図5の例では、比G1の変化率の絶対値は、第1領域R1において最大値70.4%をとる。より詳細には、比G1の変化率の絶対値は、図3~5のいずれも、第1領域R1内の第4領域R4において最大となる。 In the p-type light absorption layer 103, the absolute value of the rate of change of the ratio G1 from the first electrode layer 102 side to the second electrode layer 105 side is maximum in the first region R1. In the example of FIG. 3, the absolute value of the rate of change of the ratio G1 takes a maximum value of 74.6% in the first region R1. In the example of FIG. 4, the absolute value of the rate of change of the ratio G1 takes a maximum value of 52.7% in the first region R1. In the example of FIG. 5, the absolute value of the rate of change of the ratio G1 takes a maximum value of 70.4% in the first region R1. More specifically, in all of FIGS. 3 to 5, the absolute value of the rate of change of the ratio G1 is maximum in the fourth region R4 within the first region R1.

このように、比G1の変化率の絶対値が最大となる位置が、第2電極層105側の領域である第1領域R1にあるようにすることで、p型光吸収層103の伝導帯のバンド傾斜を利用した、第2電極層105側の表面への電子移動を促すことができる。 In this way, by setting the position where the absolute value of the rate of change of the ratio G1 is maximum in the first region R1, which is the region on the second electrode layer 105 side, the conduction band of the p-type light absorption layer 103 is Electron transfer to the surface on the second electrode layer 105 side can be promoted by utilizing the band slope of .

p型光吸収層103における比G1は、第1領域R1において、第1電極層102側から第2電極層105側にかけて減少傾向にある。この傾向は図3、図4、図5のそれぞれに共通して示される。 The ratio G1 in the p-type light absorption layer 103 tends to decrease from the first electrode layer 102 side to the second electrode layer 105 side in the first region R1. This tendency is commonly shown in each of FIGS. 3, 4, and 5.

p型光吸収層103において、第3領域R3における比G1は、0.15以下とすることが好ましい。より好ましくは、比G1は、例えば0.13以下である。図3の例では、第3領域R3における比G1の最大値は0.10である。図4の例では、第3領域R3における比G1の最大値は0.13である。図5の例では、第3領域R3における比G1の最大値は0.06である。また、第1領域R1のうち、第2電極層105側の表面から300nmまでの深さの領域では、比G1は、0.1以下である。 In the p-type light absorption layer 103, the ratio G1 in the third region R3 is preferably 0.15 or less. More preferably, the ratio G1 is, for example, 0.13 or less. In the example of FIG. 3, the maximum value of the ratio G1 in the third region R3 is 0.10. In the example of FIG. 4, the maximum value of the ratio G1 in the third region R3 is 0.13. In the example of FIG. 5, the maximum value of the ratio G1 in the third region R3 is 0.06. Further, in the first region R1, in a region at a depth of up to 300 nm from the surface on the second electrode layer 105 side, the ratio G1 is 0.1 or less.

このように、p型光吸収層103の全体における比G1及び第2電極層105側の表面における比G1を調整することで、薄膜太陽電池100が放射線による損傷を修復するようにできる。上述のアンチサイト欠陥のうち、GaがCu空孔に配置されたアンチサイト欠陥は、光照射や加熱による自己修復が行われにくい特徴がある。p型光吸収層103のように、第2電極層105側の表面におけるGaとIII族元素の原子数の比を低くすることで、自己修復がなされにくい欠陥生成の原因となるGaを少なくすることができるので、欠陥の発生を抑制し、薄膜太陽電池100が放射線による損傷を修復するようにできる。 In this way, by adjusting the ratio G1 of the entire p-type light absorption layer 103 and the ratio G1 of the surface on the second electrode layer 105 side, the thin film solar cell 100 can be repaired from damage caused by radiation. Among the above-mentioned antisite defects, an antisite defect in which Ga is arranged in a Cu vacancy has a characteristic that it is difficult to self-repair by light irradiation or heating. As in the p-type light absorption layer 103, by lowering the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements on the surface on the second electrode layer 105 side, Ga, which causes defects that are difficult to self-repair, is reduced. Therefore, the occurrence of defects can be suppressed and the thin film solar cell 100 can be repaired from damage caused by radiation.

最後に、p型光吸収層103は、VI族元素としてSを含む。より具体的には、Sは第1領域R1に含まれてもよい。これにより、p型光吸収層103のバンドギャップを調整し、光電変換効率を高くすることができる。特に、Gaの比を少なくした第1領域R1において、Sを含むようにすることで、放射線による損傷を修復可能としつつ光電変換効率を高くすることができる。 Finally, the p-type light absorption layer 103 contains S as a group VI element. More specifically, S may be included in the first region R1. Thereby, the bandgap of the p-type light absorption layer 103 can be adjusted and the photoelectric conversion efficiency can be increased. In particular, by including S in the first region R1 with a reduced Ga ratio, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency while making it possible to repair damage caused by radiation.

<製造方法>
次に、薄膜太陽電池100の製造方法について、図6Aから図6Eを参照して説明する。
<Manufacturing method>
Next, a method for manufacturing thin film solar cell 100 will be described with reference to FIGS. 6A to 6E.

まず、図6Aに示されるように、基板101上に、第1電極層102を形成する。第1電極層102の厚さは、例えば、200から800nmとしてもよい。第1電極層102は、例えば、Moを材料としてDCスパッタ法により形成される。DCスパッタ法の成膜条件としては、成膜圧力:0.5から2.5Pa、印加電力:1.0から3.0W/cmとしてもよい。 First, as shown in FIG. 6A, a first electrode layer 102 is formed on a substrate 101. The thickness of the first electrode layer 102 may be, for example, 200 to 800 nm. The first electrode layer 102 is formed using, for example, Mo as a material by DC sputtering. The film forming conditions for the DC sputtering method may be a film forming pressure of 0.5 to 2.5 Pa and an applied power of 1.0 to 3.0 W/cm 2 .

次に、図6Bに示されるように、第1電極層102上に、I―III―VI族化合物を含むp型光吸収層103を形成する。 Next, as shown in FIG. 6B, a p-type light absorption layer 103 containing a group I-III-VI compound is formed on the first electrode layer 102.

p型光吸収層13を形成する方法としては、例えば、(1)I族元素及びIII族元素の金属プリカーサ膜を形成し、金属プリカーサ膜とVI族元素との化合物を形成する方法と、(2)蒸着法を用いて、I族元素及びIII族元素及びVI族元素を成膜する方法が挙げられる。 Examples of methods for forming the p-type light absorption layer 13 include (1) forming a metal precursor film of a group I element and a group III element, and forming a compound of the metal precursor film and a group VI element; 2) A method of forming a film of a group I element, a group III element, and a group VI element using a vapor deposition method can be mentioned.

まず、方法(1)を用いてp型光吸収層103を形成する場合について説明する。方法(1)では、第1電極層102上に、Ga及びCuを含むプリカーサ膜を形成し、次に、Inを含むプリカーサ膜を形成し、次に、Ga及びCuを含むプリカーサ膜及びInを含むプリカーサ膜とVI族元素(Se及びS)との化合物を形成する。なお、I族元素であるCuについては、上述したように、GaとCuとの混晶を含むプリカーサ膜を形成してもよく、Gaを含むプリカーサ膜の上に、Cuを含むプリカーサ膜を積層してもよい。プリカーサ膜の表面におけるCu濃度は、反応ガス中のSe―S濃度を用いて制御される。 First, a case will be described in which the p-type light absorption layer 103 is formed using method (1). In method (1), a precursor film containing Ga and Cu is formed on the first electrode layer 102, then a precursor film containing In is formed, and then a precursor film containing Ga and Cu and In is formed. A compound of the precursor film containing the group VI elements (Se and S) is formed. Regarding Cu, which is a group I element, as described above, a precursor film containing a mixed crystal of Ga and Cu may be formed, and a precursor film containing Cu may be laminated on a precursor film containing Ga. You may. The Cu concentration on the surface of the precursor film is controlled using the Se--S concentration in the reaction gas.

各プリカーサ膜は、例えば、スパッタ法等の公知の成膜技術を用いて形成され得る。このようにして、図2から図5を参照して説明した原子プロファイルを有するp型光吸収層103を形成することができる。 Each precursor film may be formed using a known film forming technique such as sputtering, for example. In this way, the p-type light absorption layer 103 having the atomic profile described with reference to FIGS. 2 to 5 can be formed.

また、VI族元素との化合物形成のための熱処理時間の短縮や、アルカリ化合物の添加(例:プリカーサ膜中への添加や、基板からの拡散)によっても表面におけるGaとIII族元素の原子数の比G1を低くすることができる。 In addition, the number of atoms of Ga and group III elements on the surface can be increased by shortening the heat treatment time for forming compounds with group VI elements and by adding alkaline compounds (e.g., addition into the precursor film or diffusion from the substrate). The ratio G1 can be lowered.

なお、p型光吸収層103の全体におけるCuとIII族元素の原子数の比C1は、積層するプリカーサ膜中のCuとIII族元素の原子数を制御することによって、例えば、Cu―Gaプリカーサ膜とInプリカーサ膜の膜厚の比率や、Cu―Gaプリカーサ膜とCuプリカーサ膜の膜厚の比率を変化させることによって、調整可能である。 Note that the ratio C1 of the number of atoms of Cu and group III elements in the entire p-type light absorption layer 103 can be determined by controlling the number of atoms of Cu and group III elements in the stacked precursor film, for example, by controlling the number of atoms of Cu and group III elements in the stacked precursor film. It can be adjusted by changing the ratio of the film thickness between the film and the In precursor film, or the ratio of the film thickness between the Cu--Ga precursor film and the Cu precursor film.

次に、方法(2)によりp型光吸収層103を形成する場合について説明する。方法(2)では、第1電極層102上に、I族元素、III族元素、およびVI族元素を蒸着源として蒸着するにあたり、III族元素の蒸着としてInの蒸着よりも前にGaを蒸着することで、カルコパイライト構造の半導体層を形成し、p型光吸収層103を形成するものである。このようにして、図2から図5を参照して説明した原子プロファイルを有するp型光吸収層103を形成してもよい。また、VI族元素を蒸着する熱処理時間の短縮や、アルカリ化合物の添加(アルカリ化合物を蒸着源とした蒸着、基板からのアルカリ金属の拡散)によっても表面におけるGaとIII族元素の原子数の比G1を低くすることができる。 Next, a case will be described in which the p-type light absorption layer 103 is formed by method (2). In method (2), when group I elements, group III elements, and group VI elements are vapor-deposited on the first electrode layer 102 as vapor deposition sources, Ga is vapor-deposited as the vapor-deposition of the group-III elements before the vapor deposition of In. By doing so, a semiconductor layer having a chalcopyrite structure is formed, and a p-type light absorption layer 103 is formed. In this way, the p-type light absorption layer 103 having the atomic profile described with reference to FIGS. 2 to 5 may be formed. In addition, the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements on the surface can be improved by shortening the heat treatment time for vapor deposition of group VI elements and by adding alkali compounds (evaporation using an alkali compound as a vapor deposition source, diffusion of alkali metals from the substrate). G1 can be lowered.

I族元素であるCuは、更に、CuとGa又はInを含む蒸着膜、又は、CuとS又はSeを含む蒸着源として蒸着し、p型光吸収層を形成してもよい。 Cu, which is a Group I element, may be further deposited as a deposited film containing Cu and Ga or In, or as a deposition source containing Cu and S or Se to form a p-type light absorption layer.

VI族元素であるSe又はSについては、Se膜又はS膜又はSeとSとを含む膜として、蒸着してもよい。 Se or S, which is a group VI element, may be deposited as a Se film, an S film, or a film containing Se and S.

例えば、p型光吸収層103は、第1電極層102上に、まず、GaとSeを蒸着し、又は、GaとInとSeを蒸着し、次に、CuとSeとSを蒸着し、最後に、InとSeとSを蒸着することで形成される。各元素が蒸着される時の熱によって、Cuと、Se又はSと、In,Gaとの化合物が形成される。また、各元素を蒸着した後に、Cuと、Se又はSと、In,Gaとの化合物を形成するための熱処理を行ってもよい。蒸着には、例えば、多元同時蒸着法等の方法を用いることができる。 For example, the p-type light absorption layer 103 is formed by first depositing Ga and Se on the first electrode layer 102, or depositing Ga, In, and Se, and then depositing Cu, Se, and S. Finally, it is formed by depositing In, Se, and S. The heat generated when each element is vapor-deposited forms a compound of Cu, Se or S, and In and Ga. Further, after each element is vapor-deposited, heat treatment may be performed to form a compound of Cu, Se or S, and In or Ga. For example, a method such as a multi-component simultaneous vapor deposition method can be used for vapor deposition.

また、第1電極層102上に、まず、Cu及びGa(又は、CuGa化合物)を蒸着し、次に、Cu及びIn(又は、CuIn化合物)を蒸着し、次に、SeとSとInと(又は、InSeS化合物)を蒸着しp型光吸収層103を形成してもよい。In(Se、S)が蒸着される時の熱によって、Cuと、Se又はSと、In,Gaとの化合物が形成される。また、In(Se、S)を蒸着した後に、Cuと、Se又はSと、In,Gaとの化合物を形成するための熱処理を行ってもよい。 Further, on the first electrode layer 102, Cu and Ga (or a CuGa compound) are first vapor-deposited, then Cu and In (or a CuIn compound) are vapor-deposited, and then Se, S, and In are vapor-deposited. (or an InSeS compound) may be deposited to form the p-type light absorption layer 103. The heat generated when In(Se, S) is deposited forms a compound of Cu, Se or S, and In, Ga. Further, after depositing In(Se, S), heat treatment may be performed to form a compound of Cu, Se or S, and In and Ga.

また、第1電極層102上に、まず、Cu及びGa(又は、CuGa化合物)を蒸着し、次に、Cu及びIn(又は、CuIn化合物)を蒸着し、次に、Se及びS(又は、SeS化合物)を蒸着しp型光吸収層103を形成してもよい。Se―Sが蒸着される時の熱によって、Cuと、Se又はSと、In,Gaとの化合物が形成される。また、Se―Sを蒸着した後に、Cuと、Se又はSと、In,Gaとの化合物を形成するための熱処理を行ってもよい。以上が、方法(2)を用いて、p型光吸収層103を形成する工程の説明である。 Alternatively, the p-type light absorbing layer 103 may be formed by first evaporating Cu and Ga (or a CuGa compound) on the first electrode layer 102, then evaporating Cu and In (or a CuIn compound), and then evaporating Se and S (or a SeS compound). A compound of Cu, Se or S, and In and Ga is formed by the heat generated when Se-S is evaporated. Alternatively, after the evaporation of Se-S, a heat treatment may be performed to form a compound of Cu, Se or S, and In and Ga. This concludes the description of the process of forming the p-type light absorbing layer 103 using method (2).

次に、図6Cに示すように、p型光吸収層103上に、電子輸送層104が形成される。電子輸送層104は、溶液成長法やMOCVD法、ALD法、蒸着法、スパッタ法によって成膜することができる。次に、図6Dに示すように電子輸送層104上に、第2電極層105が形成される。第2電極層105は、スパッタ法やMOCVD法によって成膜してもよい。次に、図6Eに示すように、第2電極層105上にグリッド電極106が形成される。グリッド電極106は、例えば、蒸着法や、ペースト状の導電材料を第2電極層105に印刷することで形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 6C, an electron transport layer 104 is formed on the p-type light absorption layer 103. The electron transport layer 104 can be formed by a solution growth method, MOCVD method, ALD method, vapor deposition method, or sputtering method. Next, as shown in FIG. 6D, a second electrode layer 105 is formed on the electron transport layer 104. The second electrode layer 105 may be formed by sputtering or MOCVD. Next, as shown in FIG. 6E, a grid electrode 106 is formed on the second electrode layer 105. The grid electrode 106 may be formed, for example, by a vapor deposition method or by printing a paste-like conductive material on the second electrode layer 105.

<自己修復効果>
図7Aから図7Dを参照して、薄膜太陽電池100の自己修復効果について説明する。図7Aから図7Dには、薄膜太陽電池100に対して陽子線を照射した場合の、薄膜太陽電池100光電変換効率の保存率(図7A)、薄膜太陽電池100の開放電圧Vocの保存率(図7B)、薄膜太陽電池100の短絡電流密度Jscの保存率(図7C)、薄膜太陽電池100の曲線因子FF(Fill Factor)の保存率(図7D)がそれぞれ示される。図7Aから図7Dの各データは、実施例A,B,Cの薄膜太陽電池100を含む複数の薄膜太陽電池100によるデータの平均値である。
<Self-healing effect>
The self-healing effect of thin film solar cell 100 will be described with reference to FIGS. 7A to 7D. 7A to 7D show the storage rate of the photoelectric conversion efficiency of the thin-film solar cell 100 (FIG. 7A) and the storage rate of the open-circuit voltage V oc of the thin-film solar cell 100 when the thin-film solar cell 100 is irradiated with a proton beam. (FIG. 7B), the storage rate of the short circuit current density Jsc of the thin film solar cell 100 (FIG. 7C), and the storage rate of the fill factor (FF) of the thin film solar cell 100 (FIG. 7D) are shown, respectively. Each data in FIGS. 7A to 7D is an average value of data obtained from a plurality of thin film solar cells 100 including the thin film solar cells 100 of Examples A, B, and C.

図7Aから図7Dの横軸は単位面積あたりの陽子線の粒子数を示す陽子フルエンスである。図7Aから図7Dでは、300keVの陽子線を照射した場合の各保存率が実線で、3MeVの陽子線を照射した場合の各保存率が破線で示される。保存率とは、照射前の値に対する照射後の値の比である。また、図7Aから図7Dの例では、照射後の薄膜太陽電池100の自己修復のために光照射(Light Soaking:LS)及び熱光照射(Heat Light Soaking:HLS)が行われた場合の各保存率が示される。光照射又は熱光照射によって、p型光吸収層103内のCu欠陥の移動が促進され、アンチサイト欠陥を修飾し、薄膜太陽電池100の性能が回復する。また、比較のために、光照射又は熱光照射が行われない場合の各保存率が示される。 The horizontal axis in FIGS. 7A to 7D is proton fluence, which indicates the number of proton beam particles per unit area. In FIGS. 7A to 7D, each storage rate when irradiated with a 300 keV proton beam is shown by a solid line, and each storage rate when irradiated with a 3 MeV proton beam is shown by a broken line. The preservation rate is the ratio of the value after irradiation to the value before irradiation. In addition, in the examples of FIGS. 7A to 7D, each case where light irradiation (Light Soaking: LS) and heat light irradiation (Heat Light Soaking: HLS) are performed for self-repair of the thin film solar cell 100 after irradiation is shown. The retention rate is indicated. The light irradiation or thermal light irradiation promotes the movement of Cu defects within the p-type light absorption layer 103, modifies antisite defects, and recovers the performance of the thin film solar cell 100. Moreover, for comparison, each storage rate in the case where no light irradiation or thermal light irradiation is performed is shown.

図7Aから図7Dに共通して示されるように、薄膜太陽電池100は、陽子線が照射されることで、例えば、修復なしの場合に示されるように性能が低下した場合であっても、光照射又は熱光照射によって各特性が大きく回復する。このような特性の回復は、p型光吸収層103が、図2から図5を参照して説明した原子プロファイルを有することに起因するものと考えられる。 As commonly shown in FIGS. 7A to 7D, even when the performance of the thin-film solar cell 100 is degraded by being irradiated with the proton beam, for example, as shown in the case without repair, Each characteristic is greatly recovered by light irradiation or thermal light irradiation. The recovery of such characteristics is considered to be due to the fact that the p-type light absorption layer 103 has the atomic profile described with reference to FIGS. 2 to 5.

図7A~図7Dの例では、熱照射は150℃の温度で1時間光を照射することで行われた。これは、60℃の温度における約16~69日に相当する。よって、薄膜太陽電池100は、実際の宇宙環境でも十分な自己修復を行い得る。 In the example of Figures 7A to 7D, thermal irradiation was performed by irradiating light at a temperature of 150°C for one hour. This corresponds to approximately 16 to 69 days at a temperature of 60°C. Therefore, the thin-film solar cell 100 can perform sufficient self-repair even in an actual space environment.

図8には、本実施形態に係る薄膜太陽電池100と他の薄膜太陽電池のそれぞれに300keVの陽子線を照射し、熱照射による自己修復を行った場合の光電変換効率の保存率が示される。図8における薄膜太陽電池100のデータは、実施例A,B,Cの薄膜太陽電池100を含む複数の薄膜太陽電池100によるデータの平均値である。図8では、薄膜太陽電池100の光電変換効率の保存率RF1、非特許文献1に記載の薄膜太陽電池の光電変換効率の保存率RF2、及び非特許文献2に記載の薄膜太陽電池(GaAs系)の薄膜太陽電池の光電変換効率の保存率RF3が示される。薄膜太陽電池100は、他の薄膜太陽電池と比較して、自己修復効果が高いことが示されている。 FIG. 8 shows the preservation rate of photoelectric conversion efficiency when the thin film solar cell 100 according to this embodiment and other thin film solar cells are each irradiated with a 300 keV proton beam and self-repaired by thermal irradiation. . The data of the thin film solar cell 100 in FIG. 8 is an average value of data from a plurality of thin film solar cells 100 including the thin film solar cells 100 of Examples A, B, and C. In FIG. 8, the storage rate RF1 of the photoelectric conversion efficiency of the thin-film solar cell 100, the storage rate RF2 of the photoelectric conversion efficiency of the thin-film solar cell described in Non-Patent Document 1, and the storage rate RF2 of the photoelectric conversion efficiency of the thin-film solar cell described in Non-Patent Document 2 (GaAs-based ) is shown is the storage rate RF3 of the photoelectric conversion efficiency of the thin film solar cell. Thin film solar cell 100 has been shown to have a higher self-healing effect than other thin film solar cells.

宇宙空間に配置される一般的な薄膜太陽電池では、電池性能の劣化を抑制するために、例えば、薄膜太陽電池の光吸収層を保護するカバーガラスなどの保護手段が、接着剤によって薄膜太陽電池に取り付けられている。しかし、宇宙用のカバーガラスおよび接着剤は非常に高価であり、さらにカバーガラスや接着剤を使用することは、発電装置全体の重量を増加させることとなり、好ましくない。そこで、薄膜太陽電池100のように、薄膜太陽電池自身が十分な自己修復を可能とすることで、カバーガラスや接着剤を用いる必要がなくなる。これにより、薄膜太陽電池100を含む電池モジュールは軽量にすることができ、打ち上げのためのコストや部品点数によるコストを低減することができる。さらに、薄膜太陽電池100は放射線による損傷を自己修復し得るので、宇宙空間又は成層圏以上の大気圏において長寿命な電池として用いることができる。また、薄膜太陽電池100は、耐放射線性を有するため、放射線環境下においても従来の薄膜太陽電池より長寿命な電池として用いることができる。また、宇宙空間よりも放射線量が少ない対流圏においても、より長寿命な電池として用いることができる。例えば、建物、移動体、飛行体などの表面(ルーフ、窓、壁面等)に貼り付けて、長寿命な発電デバイスとして利用することが可能である。 In general thin-film solar cells placed in space, in order to suppress deterioration of cell performance, protective measures such as a cover glass that protects the light absorption layer of the thin-film solar cell are bonded to the thin-film solar cell using an adhesive. is attached to. However, space-use cover glasses and adhesives are very expensive, and furthermore, the use of cover glasses and adhesives increases the weight of the entire power generation device, which is undesirable. Therefore, by making the thin film solar cell itself capable of sufficient self-repair like the thin film solar cell 100, there is no need to use a cover glass or an adhesive. Thereby, the battery module including the thin film solar cell 100 can be made lightweight, and the cost for launching and the cost due to the number of parts can be reduced. Furthermore, since the thin film solar cell 100 can self-repair damage caused by radiation, it can be used as a long-life battery in outer space or in the atmosphere above the stratosphere. Further, since the thin film solar cell 100 has radiation resistance, it can be used as a cell with a longer life than conventional thin film solar cells even in a radiation environment. Furthermore, it can be used as a battery with a longer life even in the troposphere, where the amount of radiation is lower than in outer space. For example, it can be attached to the surfaces (roofs, windows, walls, etc.) of buildings, moving objects, aircraft, etc., and used as long-life power generation devices.

以上本実施形態に係る薄膜太陽電池100について説明した。薄膜太陽電池100は、基板101と、基板101上に設けられた第1電極層102と、第1電極層102上に設けられ、I-III-VI族化合物を含むp型光吸収層103と、p型光吸収層103上に設けられたn型の第2電極層105と、を備え、p型光吸収層103は、p型光吸収層103の深さ方向に対してp型光吸収層103を2等分した際の第2電極層105側の第1領域R1と、第1領域R1以外の第2領域R2とを有する。p型光吸収層103は、I族元素として、Cuを含み、III族元素として、Ga及びInを含み、第1領域R1におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値が、第2領域R2におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低い。第1領域R1におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、第2領域R2におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、p型光吸収層103におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、0.2以上0.4以下である。p型光吸収層103において、第1電極層102側から第2電極層105側に向かう際のGaとIII族元素の原子数の比の変化率の絶対値が、第1領域R1において最大となり、p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比が、第1領域R1において、第1電極層102側から第2電極層105側にかけて減少傾向にある。 The thin film solar cell 100 according to this embodiment has been described above. The thin film solar cell 100 includes a substrate 101, a first electrode layer 102 provided on the substrate 101, and a p-type light absorption layer 103 provided on the first electrode layer 102 and containing a group I-III-VI compound. and an n-type second electrode layer 105 provided on the p-type light absorption layer 103, and the p-type light absorption layer 103 absorbs p-type light in the depth direction of the p-type light absorption layer 103. It has a first region R1 on the second electrode layer 105 side when the absorbing layer 103 is divided into two, and a second region R2 other than the first region R1. The p-type light absorption layer 103 contains Cu as a group I element, Ga and In as group III elements, and the average value of the ratio of the number of atoms of Cu and group III elements in the first region R1 is the second It is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Cu and group III elements in region R2. The average value of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the first region R1 is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the second region R2, and the Ga The average ratio of the number of atoms of the group III element and the group III element is 0.2 or more and 0.4 or less. In the p-type light absorption layer 103, the absolute value of the rate of change in the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements from the first electrode layer 102 side to the second electrode layer 105 side is maximum in the first region R1. , the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer tends to decrease from the first electrode layer 102 side to the second electrode layer 105 side in the first region R1.

p型光吸収層103では、放射線によって生じた欠陥の修復をもたらすCu空孔の量を第2電極層105側において多くすることができるので、薄膜太陽電池100が放射線による損傷を修復するようにできる。また、第2電極層105側の表面におけるGaとIII族元素の原子数の比を低くすることで、自己修復がなされにくい欠陥生成の原因となるGaを少なくすることができるので、欠陥の発生を抑制し、薄膜太陽電池100が放射線による損傷を修復しやすくできる。GaとIII族元素の原子数の比の変化率の絶対値が最大となる位置を第1領域R1にあるようにすることで、p型光吸収層103の伝導帯のバンド傾斜を利用した、第2電極層105側の表面への電子移動を促すことができ、電気特性を高くすることができる。これらの要因によって、薄膜太陽電池100は、放射線による損傷を修復可能となる。 In the p-type light absorption layer 103, the amount of Cu vacancies that repair defects caused by radiation can be increased on the second electrode layer 105 side, so that the thin film solar cell 100 can repair damage caused by radiation. can. In addition, by lowering the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements on the surface on the second electrode layer 105 side, it is possible to reduce the amount of Ga, which causes defects that are difficult to self-repair. The thin film solar cell 100 can easily repair damage caused by radiation. By locating the position where the absolute value of the rate of change in the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements is maximum in the first region R1, the band slope of the conduction band of the p-type light absorption layer 103 is utilized. Electron transfer to the surface on the second electrode layer 105 side can be promoted, and electrical characteristics can be improved. These factors allow the thin film solar cell 100 to repair damage caused by radiation.

また、p型光吸収層103は、VI族元素としてSを含んでもいてもよく、これによりp型光吸収層103のバンドギャップを調整し、光電変換効率を高くすることができる。特に、Gaの比を少なくした第1領域R1において、Sを含むようにすると、放射線による損傷を修復可能としつつ光電変換効率を高くすることができる。 The p-type light absorbing layer 103 may also contain S as a group VI element, which can adjust the band gap of the p-type light absorbing layer 103 and increase the photoelectric conversion efficiency. In particular, by including S in the first region R1, which has a reduced Ga ratio, it is possible to increase the photoelectric conversion efficiency while making it possible to repair damage caused by radiation.

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。 The embodiments described above are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to be interpreted as limiting the present invention. Each element included in the embodiment, as well as its arrangement, material, conditions, shape, size, etc., are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. Further, it is possible to partially replace or combine the structures shown in different embodiments.

100…薄膜太陽電池、101…基板、102…第1電極層、103…p型光吸収層103、104…電子輸送層104、105…第2電極層、106…グリッド電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100... Thin film solar cell, 101... Substrate, 102... First electrode layer, 103... P-type light absorption layer 103, 104... Electron transport layer 104, 105... Second electrode layer, 106... Grid electrode

Claims (4)

基板と、
前記基板上に設けられた第1電極層と、
前記第1電極層上に設けられ、I-III-VI2族化合物を含むp型光吸収層と、
前記p型光吸収層上に設けられたn型の第2電極層と、を備え、
前記p型光吸収層は、前記p型光吸収層の深さ方向に対して前記p型光吸収層を2等分した際の前記第2電極層側の第1領域と、前記第1領域以外の第2領域とを有し、
前記第1領域は、前記深さ方向に対して前記第1領域を2等分した際の前記第2電極層側の第3領域と、前記第3領域以外の第4領域とを有し、
前記p型光吸収層は、
I族元素として、Cuを含み、
III族元素として、Ga及びInを含み、
前記第1領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値が、前記第2領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、
前記第1領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、前記第2領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、
前記p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、0.2以上0.4以下であり、
前記p型光吸収層において、前記第1電極層側から前記第2電極層側に向かう際のGaとIII族元素の原子数の比の変化率の絶対値が、前記第領域において最大となり、
前記p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比が、前記第1領域において、前記第1電極層側から前記第2電極層側にかけて減少傾向にあり、
前記第3領域におけるGaとIII族元素の原子数の比が、0.15以下である、薄膜太陽電池。
A substrate and
a first electrode layer provided on the substrate;
a p-type light absorption layer provided on the first electrode layer and containing a Group I-III-VI2 compound;
an n-type second electrode layer provided on the p-type light absorption layer,
The p-type light absorption layer includes a first region on the second electrode layer side when the p-type light absorption layer is divided into two in the depth direction of the p-type light absorption layer, and the first region. and a second region other than
The first region has a third region on the second electrode layer side when the first region is divided into two in the depth direction, and a fourth region other than the third region,
The p-type light absorption layer is
Contains Cu as a group I element,
Group III elements include Ga and In,
The average value of the ratio of the number of atoms of Cu and the group III element in the first region is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Cu and the group III element in the second region,
The average value of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the first region is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the second region,
The average value of the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer is 0.2 or more and 0.4 or less,
In the p-type light absorption layer, the absolute value of the rate of change in the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements from the first electrode layer side to the second electrode layer side is maximum in the fourth region. ,
The ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer tends to decrease from the first electrode layer side to the second electrode layer side in the first region ,
A thin film solar cell , wherein the ratio of the number of atoms of Ga and group III element in the third region is 0.15 or less .
請求項1に記載の薄膜太陽電池であって、
前記p型光吸収層は、VI族元素としてSを含む、薄膜太陽電池。
The thin-film solar cell according to claim 1 ,
The thin-film solar cell, wherein the p-type light absorbing layer contains S as a Group VI element.
前記請求項2に記載の薄膜太陽電池であって、
前記Sは、前記第1領域に含まれる、薄膜太陽電池。
The thin-film solar cell according to claim 2,
The thin-film solar cell, wherein the S is included in the first region.
基板上に、第1電極層を設ける第1工程と、
前記第1電極層上に、I-III-VI2族化合物を含むp型光吸収層を設ける第2工程と、
前記p型光吸収層上に、n型の第2電極層を設ける第3工程と、を含み、
前記p型光吸収層は、前記p型光吸収層の深さ方向に対して前記p型光吸収層を2等分した際の前記第2電極層側の第1領域と、前記第1領域以外の第2領域とを有し、
前記第1領域は、前記深さ方向に対して前記第1領域を2等分した際の前記第2電極層側の第3領域と、前記第3領域以外の第4領域とを有し、

前記p型光吸収層は、
I族元素として、Cuを含み、
III族元素として、Ga及びInを含み、
前記第2工程は、
前記第1領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値が、前記第2領域におけるCuとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、
前記第1領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、前記第2領域におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値よりも低く、
前記p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比の平均値が、0.2以上0.4以下であり、
前記p型光吸収層において、前記第1電極層側から前記第2電極層側に向かう際のGaとIII族元素の原子数の比の変化率の絶対値が、前記第領域において最大となり、
前記p型光吸収層におけるGaとIII族元素の原子数の比が、前記第1領域において、前記第1電極層側から前記第2電極層側にかけて減少傾向にあり、
前記第3領域におけるGaとIII族元素の原子数の比が、0.15以下である薄膜太陽電池の製造方法。
A first step of providing a first electrode layer on the substrate;
a second step of providing a p-type light absorption layer containing a group I-III-VI compound on the first electrode layer;
a third step of providing an n-type second electrode layer on the p-type light absorption layer,
The p-type light absorption layer includes a first region on the second electrode layer side when the p-type light absorption layer is divided into two in the depth direction of the p-type light absorption layer, and the first region. and a second region other than
The first region has a third region on the second electrode layer side when the first region is divided into two in the depth direction, and a fourth region other than the third region,

The p-type light absorption layer is
Contains Cu as a group I element,
Group III elements include Ga and In,
The second step is
The average value of the ratio of the number of atoms of Cu and the group III element in the first region is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Cu and the group III element in the second region,
The average value of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the first region is lower than the average value of the ratio of the number of atoms of Ga to the group III element in the second region,
The average value of the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer is 0.2 or more and 0.4 or less,
In the p-type light absorption layer, the absolute value of the rate of change in the ratio of the number of atoms of Ga and group III elements from the first electrode layer side to the second electrode layer side is maximum in the fourth region. ,
The ratio of the number of atoms of Ga and group III elements in the p-type light absorption layer tends to decrease from the first electrode layer side to the second electrode layer side in the first region ,
A method for manufacturing a thin film solar cell , wherein the ratio of the number of atoms of Ga to group III element in the third region is 0.15 or less .
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